股線及多級絞纜結構力學分析方法與行為研究.pdf

1、股線和線纜結構在眾多工程領域應用廣泛，基于其內部復雜的相互接觸力學行為和幾何上的分級分層結構使得絞纜具有一些豐富而優(yōu)越的力學特性。圍繞現(xiàn)代高新技術和大科學工程關聯(lián)的超大型超導磁體中的CICC多級線纜結構的應用，針對股線和線纜的多級復雜結構有效性質和力學行為預測等基礎力學問題，本論文進行了較為系統(tǒng)的理論建模和數(shù)值分析，探討了股線和多級線纜結構性能和外載荷下結構的力學行為，進而揭示股線間局部接觸等效應對結構整體性能的影響規(guī)律等，為優(yōu)化線纜的

2、設計提供理論支持和參考。論文主要進行了以下幾個方面的研究工作：
　　首先，針對線纜結構的基本組成單元——單根復合股線的基本力學屬性和多場有效性能預測開展了研究。單根股線一般為多相復合材料，基于細觀力學的理論方法，提出了股線復合材料在力、熱、電磁多場復雜環(huán)境中有效性質的廣義Mori-Tanaka方法，給出了相應的等效性質預測公式。進一步建立了纖維夾雜復合材料結構的有限元數(shù)值模型，采用Comsol有限元軟件進行求解并給出預測結果。結果

3、表明：所建立的廣義Mori-Tanaka模型可以較好地預測復合股線的力學、熱學和電磁學等有效特性，并獲得不同夾雜相體積分數(shù)下的有效性能依賴關系，理論模型預測結果和有限元結果吻合良好。
　　其次，圍繞多根股線螺旋絞扭而成的一級絞纜結構，考慮股線間局部接觸變形和接觸摩擦等效應，開展了絞纜力學性能與行為分析研究。針對該一級絞纜（1×3）結構的復雜非線性力學方程的求解，提出了分步加載的力學分析方法，逐次考慮局部接觸變形和摩擦效應的影響并獲

4、得絞纜和各個股線力學響應的解析解答；文中所建模型和結果可適應于股線螺旋角（從55o到90o）的更大范圍。在此基礎上，本文詳細分析并獲得了螺旋股線間的摩擦力分布特征，以及接觸摩擦對股線性能和整體絞纜行為的影響；獲得了不同螺旋角下股線間接觸和摩擦對絞纜結構軸向拉伸和扭轉變形下的等效剛度、內力分量等的影響特征。結果表明：股線間局部接觸變形和摩擦均會對絞纜力學性能產(chǎn)生影響，接觸變形對絞纜結構整體力學性能的影響更為顯著。為了驗證理論模型與解析結果

5、的可靠性，將相關結果與ABAQUS有限元數(shù)值模擬的結果進行了對比，二者吻合良好，特別是在股線螺旋角較大變化范圍內，均能給出較好預測結果。
　　再次，針對一級絞纜結構通過螺旋絞扭而成的復雜二級絞纜結構（3×3），考慮其局部接觸變形，并對此進行力學行為分析與研究。在二級絞纜結構中兩種不同的接觸形式，忽略股線間接觸摩擦效的情形下，建立了二級絞纜結構力學行為分析的兩級等效模型。結合二級絞纜內部不同接觸形式，提出了二級絞纜內部接觸和接觸變形

6、的計算方法，詳細分析了接觸變形對絞纜整體變形的影響，并獲得絞纜各層級中的應變以及內力分布的解析表達。模型不僅從理論上解釋了二級絞纜各局部接觸變形對絞纜結構的影響原理，并且定量分析了接觸變形對二級絞纜力學性能的影響。結果表明：絞纜內部子纜的局部接觸變形，對小螺旋角下絞纜的整體力學性能和股線內力均有著顯著的影響，是影響絞纜力學性能的重要因素。該模型可退化為已有文獻中不考慮接觸變形的傳統(tǒng)模型，在較大螺旋角的情形下兩者預測結果相近。
　　

7、最后，圍繞具有多層級復雜幾何特征的多級絞纜（3N）結構，本文提出了一種分析多層級線纜力學性能的分（跨）級分析模型，實現(xiàn)了對多級絞纜結構力學性能的理論分析。在忽略股線泊松效應和線纜內部接觸變形的假設前提下，基于對各層級中心線位移和變形的逐級遞推關系，建立了從最低層級股線變形到最高級層絞纜變形之間的聯(lián)系。在小變形條件下，根據(jù)變形前后股線的截面主軸坐標架的旋轉關系，獲得了股線上任意點處的應變解析表達式，從理論上建立了股線應變和各級絞纜變形的嚴